DE2952022C2 - Verwendung eines Amalgams in dem Entladungsgefäß einer Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Amalgams in dem Entladungsgefäß einer Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe.

Eine derartige Verwendung ist an sich bekannt So ist in der DE-PS 7 11871 eine künstlich gekühlte Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe beschrieben, die Glühelektroden aufweist, die gekühlt werden müssen. Diese Kühlung wird durch eine aus Quecksilber oder Amalgam bestehende verdampfbare Metallmenge bewirkt, die die Glühelektroden soweit umhüllt, daß die Entladungsspitzen der Elektroden nur um das geringe Maß von höchstens 5 mm frei herausragen.

In der DE-PS 2 64 553 ist eine Entladungsröhre mit Glühkathode beschrieben, bei der der Dampfdruck in der Lampe und damit die Bogenspannung unabhängig so von Variationen in der Umgebungstemperatur dadurch aufrechterhalten werden, daß überschüssiges Amalgam nahe der Elektrode angeordnet wird.

In der AT-PS 1 31 477, ist ein Glühkathodengleichrichter mit einem Bodenkörper aus einer Quecksilberlegierung beschrieben, der eine wohldefinierte niedrige Dampfdichte des Quecksilbers gewährleisten soll, damit Rückzündungen vermieden werden.

Und schließlich ist in der D£-OS 27 37 880 eine Alkalimetall-Dampflampe beschrieben, bei der ein w Überschuß an Natriumamalgam verwendet wird, um einen stabilen Betriebszustand dadurch zu erreichen, daß die tiefste Temperatur an irgendeinem Punkt im Bogenentladungsrohr den Dampfdruck im Rohr bestimmt. Außerdem soll das überschüssige Natriumamalgarn beim Altern der Lampe Natrium ersetzen, das während der Gebrauchsdauer der Lampe z. B. durch Elektrolyse durch die Aluminiumoxid-Wandungen verloren gegangen ist. Es ist ein wesentlicher Bestandteil der in der DE-OS 27 37 880 beschriebenen Erfindung, w daß sich der Natriumamalgam-Überschuß in einem vom Rohrinneren entfernten Entlüftungsröhrchen befindet, das darüber hinaus noch einen Einsatz aufweist, der lediglich das Eindringen von dampfförmigem Amalgam in das Entladungsrohr gestattet. In einer Natriumdampflampe hat das Quecksilber nur eine geringe Wirkung auf die Bogenspannung.

Demgegenüber liegt der erfindungsgemäßen Verwendung ein anderes Problem zugrunde.

Derzeit erfordert die Leistungsregelung in Hoch- wi druck-Quecksilberdampfentladungslampen relativ komplizierte und teure elektronische Schaltungen. Es gibt keinen Mechanismus innerhalb der Lampe, um solche Leitungsspannungsfluktuationen, die regulär in den üblichen Wechselstromleitungen auftreten, zu kompen- t>5 sieren.

In üblichen Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampen, in denen das gasförmige Entladungsmedium eine Mischung aus einem Edelgas und Quecksilber oder aus einem Edelgas, Quecksilber und einem Metallhalogeniddampf umfaßt, ist der Quecksilberdampfdruck begrenzt Das heißt das gesamte im Entladungsrohr enthaltene Quecksilber ist verdampft Der Spannungsabfail entlang des Bogens in diesen üblichen Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampen ist bestimmt durch den Quecksilberdampfdruck und ist konstant und im wesentlichen proportional der Menge des Quecksilbers zwischen den Elektroden, d. h. der Quecksilberdampfdichte. Da diese Dampfdichte festliegt und durch die Menge Quecksilber begrenzt ist, die ursprünglich während der Herstellung in die Lampe eingebracht wurde, ist der Bogenspannungsabfall eine Konstante für eine angelegte Spannung. Entsprechend den Fluktuationen in der Leitungsspannung variiert jedoch die der Lampe zugeführte Leistung und somit die Intensität des abgegebenen Lichtes. Diese Variation der Lichtabgabe der Lampe ist in hohem Maße unerwünscht und ist bisher nur durch teuere elektronische Schaltungen steuerbar.

In einigen Leuchtstofflampen werden Amalgame benutzt, um den Quecksilberdampfdruck zu steuern, damit man eine optimale Erzeugung der UV-Strahlung von 254 Nanometer erhält. Diese Steuerung ist jedoch nicht begleitet von irgendeiner Veränderung in den elektrischen Charakteristika der Bogenentladung. Die Veränderung im Druck steht nur in Beziehung zu den optischen Charakteristika des Plasmas, um die maximale Erzeugung der Resonanzstrahlung sicherzustellen.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, in einfacherer und billigerer Weise als nur mit elektrischen Schaltungen die einer Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe zugeführte elektrische Leistung gegenüber Schwankungen in der angelegten Spannung zu stabilisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Amalgams im Entladungsgefäß dieser Lampe gelöst.

Bei Verwendung eines solchen Amalgams führt eine Veränderung der angelegten Spannung zu einer temporären Veränderung der Leistungsaufnahme, die die Temperatur des Amalgams ändert und dadurch den Quecksilberdampfdruck erhöht und somit den wirksamen Lampenwiderstand. Diese Zunahme des Lampenwiderstands erhöht den Spannungsabfall über den Bogen und erzeugt einen entsprechenden Abfall im Bogenstrom und einen Abfall in der der Lampe zugeführten Leistung. Damit fallen schließlich die Lampentemperatur und der Quecksilberdampfdruck zu dem vorgesehenen Niveau zurück. Dieser Leistungsregulationszyklus wird besonders durch die Verwendung kleiner in Reihe geschalteter Vorschaltwiderstände oder -Induktoren gefördert.

Die Zeichnung zeigt eine perspektivische Ansicht einer Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe, bei der erfindungsgemäß ein Amalgam im Entladungsrohr verwendet wird.

Obwohl die gezeigte Lampe einen Edison-Schraubsockel aufweist, können auch andere geeignete Sockel verwendet werden, deren Größe und Konfiguration für verschiedene Fassungen und Leuchten geeignet sind. Zusätzlich sind spezielle Vorschaltgeräte für die typische Lampe dieser Art erforderlich. Innerhalb eines äußeren transparenten Kolbens 10. der üblicherweise aus einem relativ standardisierten Glasmaterial besteht, ist zentral ein Entladungsgefäß in Form eines Bogenentladungsrohres 11 gehalten, das typischerweise aus

Quarz oder einem transparenten oder durchscheinenden Keramikmaterial besteht das Temperaturen oberhalb von 500° C widerstehen kann. In dem Bogenentla· dungsrohr 11 sind Elektroden 12 und 13 in den gegenüberliegenden Enden angeordnet, die üblicherweise eine langgestreckte zylindrische Gestalt aufweisen, und an jedem Ende abgeflacht sind. An einem Ende des Rohres 11 ist eine Zündelektrode 14 in einem geringen Abstand von einer der Elektroden angeordnet, um eine anfängliche Ionisation des Dampfes 15 innerhalb des Rohres 11 zu erleichtern. Der Dampf 15 umfaßt ein Edelgas, wie Argon, Quecksilberdampf und in einigen Fällen einen Metallhalogeniddampf. Die Erregung dieses Dampfes 15 erfolgt durch Hindurchleiten des Stromes zwischen den Elektroden 12 und 13 unter Erzeugung des sichtbaren Lichtes.

Die Lampe wird üblicherweise durch Ionisation des Dampfes 15 zwischen der Elektrode 13 und der Zündelektrode 14 gezündet. Diese anfängliche Ionisation erleichtert die Ionisation eines beträchtlichen Teiles des Dampfes 15 und führt zu einer zunehmenden Entladung durch das ganze innere Volumen des Rohres 11 und den Durchgang eines Entladungsstromes zwischen den Elektroden 12 und 13. Die resultierende Entladung heizt das Rohr auf, und schließlich verbindet der Bimetallstreifen 16 die Elektroden 13 und 14 elektrisch miteinander, um die Elektrolyse der Halogenide zu reduzieren.

Das Streifenteil 19, das mit den Stützteilen 20 und 22 verbunden ist, trägt Gettermaterial zur Entfernung von Gasen wie Sauerstoff aus dem Raum zwischen dem Entladungsgefäß 11 und dem Außenkolben 10. Das Stützteil 20 ist üblicherweise mit einer Seite der Leistungszuführung verbunden und weist Federteile 21 auf, die durch Punktschweißen damit verbunden sind, J? um für die innere Lampe, die im wesentlichen aus dem transparenten Quarzrohr 11 besteht, eine verstärkte Stütze zu ergeben. Das Quarzrohr 11 wird auch vom anderen Ende des Außenkolbens mittels einer Einbuchtung 24 im Kolben 10 gestützt, wobei diese Einbuchtung 24 eine Befestigungsstruktur für das hexagonale Band 23 liefert, an dem die Stützstruktur 22 befestigt ist. Die Stützstrukturen 20 und 22 sind üblicherweise durch Punktschweißen an Streifen befestigt, die durch Paßsitz an den abgeflachten Enden des Rohres 11 fixiert sind. Eine Stützstruktur, wie sie in der Figur gezeigt ist, ist üblich und ergibt einen ausreichend starren Halt für das Bogenentladungsrohr 11 und die damit verbundenen Strukturen. Jedes Ende des Bogenrohres 11 ist dicht abgeschlossen und die elektrischen Durchführungen '<> sind durch eine Molybdänfolie 26 geschaffen, die gasdicht an jedem der abgequetschten Enden in dem Entladungsgefäß eingeschmolzen ist. Die Folienstruktur 26 ist jedoch nur an dem Ende des Bogenrohres 11 sichtbar, an dem die Elektrode 12 angeordnet ist. *>> Außerdem ist in der Figur eine Rückführleitung 25 gezeigt, und sie ist mit einem Anschluß der Energiezuführung und der Elektrode 13 verbunden. Auch ist jedes Ende des Entladungsrohres 11 vorzugsweise mit einem opaken reflektierenden Überzug, wie aus Zirkoniumdioxyd überzogen, der wärmekonservierend wirkt und das Aufrechterhalten der Entladungsrohrtemperatur bei dem geeignet hohen Niveau unterstützt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsforni der vorliegenden Erfindung ist das Bogenentladungsrohr 11 t>5 auch mit einer Amalgamzusammcnsetzung 35 überzogen. Der durch das Amalgam geschaffene Grad der Selbstrcgulierung wird opiimalisicrt durch Auswahl

to

45 eines Amalgams, bei dem dPng/dr_p so groß als möglich bei der Amalgamtemperatur T₁, ist

Es gibt eine große Auswahl von Metallen, wie Kupfer, Zink, Cadmium, Gallium, Indium, Thallium, Zinn, Antimon und Silber, die zu geeigneten Amalgamen für die erwünschte Amalgamtemperatur führen, die ausgewählt ist auf der Basis der Dampfdruckanforderungen der anderen im Bogenrohr enthaltenden Ingredienzien.

Der in der Lampe während des Normalbetriebes vorhandene Quecksilberdampf wird üblicherweise sowohl vom Amalgamüberzug auf dem Bogenrohrinneren, der während der Lampenherstellung aufgebracht wird, als auch vom flüssigen Quecksilber geliefert das typischerweise als Kügelchen während der Herstellung der Lampe hinzugefügt wird. Im besonderen benetzt Indiumamalgam das aus Glas bestehende Bogenrohr 11 gut Das amalgamierende Metall wird dem Bogenrohr vor dem abschließenden Abdichten des Rohres in irgendeiner geeigneten Weise hinzugefügt Das Quecksilber wird entweder als Kügelchen oder in Dampfform, als ein Amalgam mit dem amalgamierenden Metall oder als eine Kombination der vorgenannten Formen eingeführt. In jedem Falle bildet sich ein Amalgamüberzug auf der Wand des Bogenrohres an den kältesten Punkten, insbesondere nahe den Enden des Rohres.

Der selbstregulierende Betrieb der Lampe aufgrund der Verwendung des Amalgams gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben. Während des normalen Lampenbetriebes wird ein kleiner in Reihe geschalteter Vorschaltwiderstand oder -induktor benutzt, der üblicherweise einen Widerstand in einer Größenordnung unterhalb des Widerstandes der Lampe selbst hat, wobei der Lampenwiderstand bestimmt ist durch den Bogenstrom und den Spannungsabfall über den Bogen. Für relativ geringe Fluktuationen in der Leitungsspannung gibt es eine entsprechende Zunahme in der der Lampe zugeführten Leistung. Diese erhöhte Lampenleistung führt zu einer höheren Lampentemperatur, die nun wegen der Anwesenheit des Amalgams zu einem beträchtlich höheren Partialdruck des Quecksilberdampfes führt, der seinerseits einen höheren effektiven Widerstand verursacht und somit eine entsprechend größere Zunahme im Spannungsabfall über die Bogenentladung und wegen der Anwesenheit der kleinen Vorschaltimpedanz einen Abfall im Bogenstrom. Schließlich wird in einer relativ kurzen Zeit die Lampeneingangsleistung zu einem Niveau zurückgeführt, das dem ursprünglichen Wer: vor der Zunahme der Leitungsspannung angenähert ist. Ein Zahlenbeispiel dieser Veränderungen ist weiter unten gegeben.

Große Entladungslampen sprechen langsam auf Änderungen in der Leitungsspannung an, weil sie entsprechend hohe Energiedichteanforderungen zur Erhöhung ihrer Temperatur haben und diese Lampen funktionieren daher weniger befriedigend als kleine Lampen, die ebenfalls ein Amalgam zur Regulierung der Eingangsleistung benutzen. Die kleineren Entladungslampen, wie zum Beispiel Lampen mit einer Wattleistung von etwa 150 Watt, haben jedoch eine so geringe Größe, daß rasche Änderungen in der Lampentemperatur in Abhängigkeit von der Leitungsspannung auftre-'fn. Während eine hundertprozentige Kompensation der Leitungsspannungsänderungen durch die Verwendung das Amalgam gemäß der vorliegenden Erfindung üblicherweise nicht erwartet weiden kann, nimmt die Lampeneingangsleistung doch nur bis zu einem Wert zwischen dem ursprünglichen Zustand und dem Zustand

zu, der als Folge der Leitungsspannungszunahme erreicht wird.

Die Amalgamzusammensetzung und die Amalgamstelle innerhalb des Bogenrohres werden so ausgewählt, daß die Ableitung der Lampenspannung mit Bezug auf die Leitungsspannung größer ist als oder gleich 1, um konstante Leistungsniveaus in der Lampe trotz Änderungen in der Leitungsspannung aufrecht zu erhalten. Es sind jedoch auch Werte dieser Ableitung von weniger als I₁ die positiv sind und beträchtlich größer als 0 brauchbar, um die Kompensation zu reduzieren, die im elektrischen Vorschaltgerät erforderlich ist. Obwohl daher eine hundertprozentige Kompensation nicht erzielt wird, gestattet die erfindungsgemäße Verwendung von Amalgam eine größere Flexibilität hinsichtlich des Vorschaltgerätes und die Anwendung billigerer Vorschaltgeräte.

Das folgende Zahlenbeispiel soll die selbstregulierende Steuerung gemäß der Verwendung der vorliegenden Erfindung illustrieren. So wird angenommen, daß die Lampe einen Widerstand von 90 Ohm hat und in Reihe geschaltet ist mit einem Vorschaltwiderstand von 10 Ohm. Bei einem Strom von 1 Ampere durch diese Reihenschaltung erhält man einen Gesamtspannungsabfall von 100 Volt, von denen 10 Volt beim Vorschaltwiderstand und 90 Volt bei der Lampe entstehen. Bei diesen Strom- und Spannungsniveaus beträgt die Lampenleistung 90 Watt und die Leistung des Vorschaltwiderstandes 10 Watt. Es sei angenommen, daß die Leitungsspannung zu einem Wert von 104 Volt ansteigt. Nach einer kurzen Zeit verstärkter Leistungsaufnahme nehmen Lampentemperatur und Quecksilberdampfdruck zu und führen zu einem erhöhten Lampenwiderstand. Wenn eine etwa lOprozentige Erhöhung im Lampenwiderstand zu einem neuen Widerstand von zum Beispiel 99,8 Ohm führt, dann vermindert sich der durch die Reihenschaltung fließende Strom auf 0,9526 Ampere und dies führt zu einem Spannungsabfall von 94,479 Volt über die Lampe und von 9,526 Volt über den Vorschaltwiderstand. Die nun dem Vorschaltwiderstand zugeführte Leistung beträgt 9,526 Watt, die der Lampe zugeführte Leistung aber noch immer 90 Watt.

Dies zeigt einen Fall idealer 1 OOprozentiger Kompensation, wobei der Wert der vorgenannten Spannungsableitung etwa 1,120 beträgt, was tatsächlich größer ist als 1, wie für eine solche ideale Kompensation erforderlich. Größere oder kleinere Veränderungen im Lampen-K) widerstand als Ergebnis der Zunahme der Temperatur und des Quecksilberdampfdruckes führen daher zu einem entsprechend größeren oder geringeren Kompensationsniveau.

Beispielsweise kann eine Lampe bei Verwendung des Amalgams gemäß der vorliegenden Erfindung nach den folgenden Spezifikationen hergestellt werden. Das Entladungsrohr besteht aus geschmolzenem Quarzmaterial, das zu einer ovalen Gestalt geformt ist, wie in der Figur gezeigt. Die Hauptelektroden 12 und 13 sind durch einen Abstand von etwa 20 mm voneinander getrennt. In seinem Zentrum hat das Bogenrohr einen Außendurchmesser von etwa 12 mm und einen Innendurchmesser von etwa 10 mm, und es umschließt ein Innenvolumen von etwa 2 cm³. Ein Zündgas, wie Argon, wird mit einem Partialdruck von etwa 26,6 mbar benutzt. Das auf der inneren Oberfläche des Entladungsrohres aufgebrachte Amalgam umfaßt 25 mg Hg und 25 mg Indium. Eine derartige Hochleistungs-Entladungslampe nimmt etwa 150 Watt auf und ist stark jo selbstregulierend hinsichtlich der Beibehaltung eines stabilen Leistungsniveaus trotz Fluktuationen der Leitungsspannung.

Lampen mit einem Innenvolumen im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 5 cm³ können leicht hergestellt werden. Während des Lampenbetriebes liegt der Quecksilberdampfdruck üblicherweise zwischen etwa 0,5 und etwa 20 bar, wobei der Bereich zwischen etwa 1 und etwa 5 bar bevorzugt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verwendung eines Amalgams in dem Entladungsgefäß einer Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe mit einem Außenkolben, der das Entladungsgefäß umgibt, in dessen gegenüberliegenden Enden Elektroden angeordnet sind, um die der Lampe zugeführte elektrische Leistung gegenüber Schwankungen in der angelegten Spannung zu stabilisieren. ι ο